CC BY
56
Новые параметры оценки природы гумусовых кислот
А.А. Околелова, д.биол.н, Волгоградский государственный технический университет; О.С. Безуглова, д.биол.н., профессор, Ростовский государственный университет; Г.С. Егорова, д.с.-х.н, профессор, Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия, декан агрономического факультета
До настоящего времени информативность оценки гумусного состояния и продуктивности почв часто формальна, трудно сопоставима из-за отсутствия конкретных методов сбора и обработки информации, а также в связи с тем, что просто не разработана мобильная информативная система регистрации и учета этих параметров.
Надежным критерием гумусного состояния почв могут служить показатели природы гумино-вых кислот и фульвокислот. В свое время нами было проведено определение доли ароматических и алифатических фрагментов в молекулах гуми-новых кислот по содержанию углерода [4]. Для уточнения структурных особенностей ГК их окисляли перманганатом калия в щелочной среде до бензолполикарбоновых кислот (БПК). Учитывая, что основная часть БПК представлена тетрабензолкарбоновыми кислотами [6], можно рассчитать содержание углерода ароматических фрагментов (Саром):
С аром = ((М6С + МТБК ) ' А % , (1)
где М6С, МТБК — соответственно молекулярные массы углеродных скелетов бензольного кольца и тетрабензолкарбоновых кислот (ТБК);
А — содержание БПК в продуктах окисления, %. Определение Сал в ГК проводили по данным элементного состава. Значения Саром и Сал по выходу БПК приведены в таблице 1. Данные свидетельствуют, что величины Сал, определенные по выходу БПК и с учетом их элементного состава (по Кревелену), дали сопоставимые результаты. Это подтверждает предположение о том, что ароматическая часть ГК представлена преимущественно четырехзамещенными бензольными кольцами.
Выявлена эмпирическая зависимость между содержанием углерода алифатических фрагментов и значениями коэффициентов экстинкции ГК при длине волны 465 нм (Е4), которая описывается уравнением регрессии [2]:
Сал = 95,50 - 246,71£4,%. (2)
Полученная закономерность позволяет определять природу молекул ГК по элементному составу и по Е-величинам, не прибегая к трудоемкому процессу окисления гуминовых кислот до БПК. Установление доли Сал с помощью величи-
1. Содержание углерода в ароматических и алифатических фрагментах гуминовых кислот, %
Гори- зонты С '-'аром Сал
по БПК по БПК по элементному составу
Черноземы обыкновенные
А -^nax 21,49 61,17 67,34
А1 20,74 61,22 73,75
В1 19,37 64,55 71,28
В2 19,04 65,27 68,77
Темно-каштановые почвы
А1 17,10 69,05 72,17
В1 15,06 73,06 74,16
В2 13,09 76,08 74,85
АВ1 13,80 74,50 78,97
Светло-каштановые почвы
В2 12,13 77,67 87,17
ВС 10,77 80,35 82,95
ны оптической плотности — простой, надежный в исполнении и доступный метод, и его введение в производственных условиях не вызовет затруднений.
В свое время для характеристики природы гу-миновых кислот нами был введен параметр «степень бензоидности», под которой понимается обо-гащенность ГК ароматическими фрагментами [7]. Фактически степень бензоидности — это соотношение между углеродом ароматических и алифатических фрагментов молекул ГК:
а = (Саром + Сал)- 100°/о . (3)
Чем выше доля ароматических фрагментов, тем больше значение а . Степень бензоидности ГК почв Поволжья возрастает в зональном ряду степных почв от светло-каштановых почв к черноземам [7]. Степень бензоидности ГК зональных типов почв России сопоставима и, отражая условия формирования гуминовых кислот, является объективной характеристикой процесса гумусообразо-вания (табл. 2).
2. Степень бензоидности гуминовых кислот, %
Зональные почвы (по литературным данным [1,8]) Степень бензоид- ности Почвы Нижнено Поволжья [6] Степень бензоид- ности
Дерново- 13,1 Черноземы 32,7
подзолистые обыкновенные
Пойменные 27,0 неорошаемые
Сероземы 21,2 Темно-каштано- 28,2
Чернозем типич- 32,3 вые неорошаемые
ный Светло-каштано- 21,0
Чернозем южный 29,9 вые неорошаемые
Каштановые 16,0
Показатель степень бензоидности — объективная характеристика типа строения ГК, и он может быть использован как один из количественных параметров процесса гумусообразования при зональной характеристике гумусового режима почв и для оценки продуктивности почв.
Д.С. Орловым с соавторами предложена иная формула определения степени бензоидности [8]:
а = (Сбенз + (С,ял + С бенз )) • 100%, (4)
где C бенз—содержание углерода бензоидных фрагментов в ГК;
Сал — содержание углерода алифатических фрагментов.
В молекулах ГК ароматическая часть представлена не только бензоидными фрагментами, в нее входят производные бензола и конденсированных структур.
Корректнее использовать в формуле показатель Сар, а не Сбенз. Таким образом, предлагаемая формула может быть представлена в виде:
а = (Сбенз +Собщ )100% (5)
Значения степени бензоидности по предлагаемой формуле (5) будут менее точными, так как параметр C общ включает ошибки, неизбежные при любом виде его инструментального определения, и поэтому значения при таком способе расчета всегда будут меньше, чем при определении по предлагаемой нами формуле (4).
Авторы [8] вводят степень бензоидности гуминовых кислот как дополнительный показатель оценки гумусного состояния и предлагают шесть уровней изменения его состояния, причем наивысшая степень бензоидности предполагает величину, превышающую 45%. Но это противоречит положению о том, что ароматическая часть ГК не превышает трети в их молекулах. Подобная градация имеет смысл, если расчет степени бензоидности вести по формуле, обоснованной нами.
Из трех фракций гуминовых кислот, выделенных по формам связи, были получены препараты: ГК-1, ГК-2, ГК-3. Обращает внимание схожесть элементного состава ГК первой и третьей фракций и их величин степени бензоидности.
Проведенные расчеты для фракций ГК чернозема южного показали, что величины Сал по значениям Е4, полученные с помощью уравнения регрессии и по данным элементного состава довольно схожи (табл. 3). Это еще раз доказывает зависимость оптической плотности ГК от их природы и возможность определения строения ГК по их оптическим свойствам.
ГК второй фракции содержат минимальное количество алифатических фрагментов, и, следовательно, их степень бензоидности в 2—3 раза выше данного параметра ГК первой и третьей фракций, а также значений, определенных для ГК черноземов, описанных в литературе [1, 7]. Высо-
кая степень бензоидности ГК-2 подтверждает их особую роль в процессе почвообразования.
3. Свойства ГК чернозема южного, фракционированных по формам связи
Глубина, см Фракция ГК Е465 Е650 Е4/Е6 , % Сал, %
1 0,078 0,022 3,55 16,81 83,19
0-30 2 0,115 0,038 3,03 45,14 54,86
3 0,068 0,023 2,96 19,80 80,20
1 0,069 0,018 3,83 26,37 73,63
30-40 2 0,107 0,036 2,97 45,76 54,24
3 0,059 0,015 3,93 13,41 86,59
Особенность фульвокислот — их высокая обо-гащенность фенольными гидроксилами, содержание которых в 1,5—3 раза выше, чем в ГК. Эта закономерность выявлена в зональном ряду степных почв Нижнего Поволжья и в почвах России (табл. 4).
По статистическим данным, в ароматической части ФК преобладают фенольные соединения, в основном представленные диоксибензолами. Содержание последних вдвое ниже, чем количество фенольных гидроксилов.
4. Некоторые показатели фульвокислот почв России
Почва Фульвокислоты
ОНф, г-экв ß, %
Дерново-подзолистая 0,76 13,10
Чернозем типичный 0,60 9,78
Серозем 0,78 12,58
Чернозем обыкновенный 0,63 9,79
Темно-каштановая почва 0,71 12,43
Светло-каштановая почва 0,66 11,46
Обогащенность ФК ароматическими компонентами предлагаем оценивать по соотношению кислорода в ароматической части ФК и общего его содержания в молекуле. Для этого введем числовой параметр «кислородный показатель фульвокислот ( в )». В формулу введен коэффициент, равный 0,5, учитывающий преобладание в ароматической части молекулы диоксибензолов:
в = ((0,5-ООНФ) + Ообщ)-100%, , (6)
где ОНФ — доля кислорода фенолгидроксильных групп ФК;
Ообщ — атомная доля кислорода, найденная по элементному составу.
В почвах Нижнего Поволжья большие значения в у ФК почв каштанового типа (табл. 5). В почвах с высоким уровнем биологической активности (черноземы) формируются устойчивые формы ГК с высокими значениями и фульво-кислоты с низкими величинами р.
Анализ литературных данных [6] показывает, что более устойчивые формы ФК формируются в
дерново-подзолистых почвах и сероземах, где они и преобладают, играя решающую роль в процессах почвообразования (табл. 5).
Нами выявлена тенденция: с ростом степени бензоидностия ГК, кислородный показатель ФК снижается. Эта зависимость справедлива как для зонального ряда степных почв Нижнего Поволжья, так и для почв России.
Предлагаем шкалу экологической оценки почв, разделяющую их по продуктивности на категории с учетом природы ГК (табл. 5).
5. Экологическая оценка состояния почвы
Оценка состояния почвы Черноземы южные Темно- каштановые почвы
балл а ГК балл а ГК
Оптимум, область > 100 >40 >70 >35
благополучия
Область нормального 80-100 35—40 50-70 30-35
состояния
Диапазон толерант- 50-80 30-35 30-50 25-30
ности
Область экстремума <50 <30 <30 <25
Категория ценных почв — оптимум, область благополучия. В эту категорию входят почвы с наи -большими значениями балла бонитета, который превышает средние значения в своем земельнооценочном районе или выше средней величины в своем административном районе. Сюда можно отнести черноземы южные с баллами выше 100, степень бензоидности ГК которых превышает 40%, темно-каштановые — с баллами выше 70, степенью бензоидности ГК в них более 35%.
Область нормального состояния. В эту категорию отнесены почвы, продуктивность которых соответствует своим потенциальным способностям и обеспечивает прибыль при их сельскохозяйственном использовании. Эксплуатация таких почв должна включать мероприятия по предуп-
реждению деградации. Только при таком условии почвы этой категории могут служить основой экологической сбалансированности агроценозов.
Сюда предлагаем включить разновидности черноземов южных, имеющие балл от 80 до 100, и тем-но-каштановые почвы с баллами от 50 до 70, гу-миновые кислоты в этих почвах характеризуются степенью бензоидности, изменяющейся соответственно в диапазонах 35—40 и 30—35%.
Диапазон толерантности. Категория почв с пониженной продуктивностью, затраты на хозяйственное использование которых убыточны. В эту область нами отнесены черноземы южные с баллами от 50 до 80, темно-каштановые почвы с баллами от 30 до 50, интервал колебаний значений степени бензоидности ГК соответственно 30—35 и 25-30%.
Область экстремума. Категория почв с явными признаками деградации, в которую попадают нарушенные почвы. Сюда предлагаем отнести черноземы южные с баллами бонитета ниже 50, тем-но-каштановые почвы с баллами ниже 30, значения коэффициента ГК соответственно не превышают 30 и 25%.
Литература
1 Безуглова, О.С. Гумусное состояние почв юга России. Ростов-на-Дону: Изд. СКНЦ ВШ, 2001.
2 Околелова, A.A. Электронные спектры поглощения гумусовых кислот черноземов и каштановых почв и их изменение при орошении // Агрохимия. 1983. №11.
3 Околелова, A.A. Природа и свойства фульвокислот // Почвоведение. 1992. №1.
4 Околелова, A.A. О возможности применения метода окисления перманганатом калия в щелочной среде при исследовании природы гуминовых кислот / A.A. Околелова, В.А. Барановская // Агрохимия. 1986. №6.
5 Околелова, A.A. Генофонд почв Волгоградской области / A.A. Околелова, Г.С. Егорова. Волгоград: РПК «Политехник», 2004.
6 Орлов, Д.С. Химия почв. М.: Изд. МГУ, 1985.
7 Орлов, Д.С. Степень бензоидности гуминовых кислот и способ ее определения / Д.С. Орлов, В.А. Барановская, A.A. Околелова // Доклады АН СССР. 1987. Т. 293. №6.
8 Орлов, Д.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов / Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, М.С. Розанова // Почвоведение. 2004. №8.
